(57)【要約】【課題】磁気インピーダンス効果を利用して磁界を検出する方法により導体電流に基づく磁界を導体位置の多少のずれやノイズの影響を排除して高精度で検出し、導体電流の高精度の測定を可能にする。【解決手段】導体ｅを囲む円周上に２ｎ箇（ｎは偶数）の磁気インピーダンス効果エレメントを円周中心を対称中心とするｎ組の対で設け、これらｎ組の対のうちのＮ／２組の対の第１磁気インピーダンス効果エレメント群１１−１１’、１２−１２’…を磁気インピーダンス効果エレメント出力の和を得るように、同じく残りのＮ／２組の対の第２磁気インピーダンス効果エレメント群１３−１３’、１４−１４’を磁気インピーダンス効果エレメント出力の和を得るように、しかも前者の和出力と後者の和出力とを逆相とするように結線し、この逆相出力を減算器８で減算し、この減算出力に基づき導体電流を測定する。【選択図】図３
2005061980.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検出磁界を磁気インピーダンス効果エレメントを使用して極性判別可能なリニア出力特性で検出する磁界センサにより、導体電流に基づく周回路磁界を検出してその導体電流を測定する方法であり、導体を囲む円周上に２ｎ箇（ｎは偶数）の磁気インピーダンス効果エレメントを円周中心を対称中心とするｎ組の対で設け、これらｎ組の対のうちのｎ／２組の対の第１磁気インピーダンス効果エレメント群を磁気インピーダンス効果エレメント出力の和を得るように、同じく残りのｎ／２組の対の第２磁気インピーダンス効果エレメント群を磁気インピーダンス効果エレメント出力の和を得るように、しかも前者の和出力と後者の和出力とを逆相とするように設置し、この逆相出力を互いに減算し、この減算出力に基づき導体電流を測定することを特徴とする導体電流測定方法。
【請求項２】
リニア出力特性を得るために各磁気インピーダンス効果エレメントの近傍に負帰還用コイルを配設し、各磁気インピーダンス効果エレメントの負帰還用コイルを直列に接続し、各磁気インピーダンス効果エレメント群の各和出力を各直列接続負帰還用コイル群を介して各磁気インピーダンス効果エレメント群に負帰還させることを特徴とする請求項１記載の導体電流測定方法。
【請求項３】
極性判別可能な出力特性を得るために各磁気インピーダンス効果エレメントの近傍にバイアス磁界用コイルを配設し、各磁気インピーダンス効果エレメントのバイアス磁界用コイルを直列に接続したことを特徴とする請求項１または２記載の導体電流測定方法。
【請求項４】
被検出磁界を磁気インピーダンス効果エレメントを使用して極性判別可能なリニア出力特性で検出する磁界センサにより、導体電流に基づく周回路磁界を検出してその導体電流を測定する方法であり、導体を囲む円周上に２ｎ箇（ｎは偶数）の磁気インピーダンス効果エレメントを円周中心を対称中心とするｎ組の対で設け、これらｎ組の対のうちのｎ／２組の対の第１磁気インピーダンス効果エレメント群を磁気インピーダンス効果エレメント出力の和を得るように、同じく残りのｎ／２組の対の第２磁気インピーダンス効果エレメント群を磁気インピーダンス効果エレメント出力の和を得るように、しかも前者の和出力と後者の和出力とを逆相とするように設置し、この逆相出力を差動増幅し、この差動増幅出力に基づき導体電流を測定することを特徴とする導体電流測定方法。
【請求項５】
リニア出力特性を得るために各磁気インピーダンス効果エレメントの近傍に負帰還用コイルを配設し、各磁気インピーダンス効果エレメントの負帰還用コイルを直列に接続し、差動増幅出力を直列接続負帰還用コイル群を介して全磁気インピーダンス効果エレメント群に負帰還させることを特徴とする請求項４記載の導体電流測定方法。
【請求項６】
磁気インピーダンス効果エレメント群を磁気インピーダンス効果エレメント出力の和を得るように設置することを磁気インピーダンス効果エレメントの直列接続により行なうことを特徴とする請求項１〜５何れか記載の導体電流測定方法。
【請求項７】
極性判別可能な出力特性を得るために各磁気インピーダンス効果エレメントの近傍にバイアス磁界用コイルを配設し、各磁気インピーダンス効果エレメントのバイアス磁界用コイルを直列に接続したことを特徴とする請求項４〜６何れか記載の導体電流測定方法。
【請求項８】
磁気インピーダンス効果エレメントを基板片の片面に配設し、基板片の他面に前記磁気インピーダンス効果エレメントとで磁気回路を構成するように鉄芯を配設し、該鉄芯にバイアス磁界用コイル片及び負帰還用コイル片を巻装してなる磁気インピーダンス効果ユニットを有する磁界センサを使用することを特徴とする請求項１〜７何れか記載の導体電流測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は導体電流を磁界検出により測定する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アモルファス合金ワイヤとして、自発磁化の方向がワイヤ周方向に対し互いに逆方向の磁区が交互に磁壁で隔てられた構成の外殻部を有する、零磁歪乃至は負磁歪のアモルファス合金ワイヤが開発されている。
かかる零磁歪乃至は負磁歪のアモルファス磁性ワイヤに高周波励磁電流したときに発生するワイヤ両端間出力電圧中のインダクタンス電圧分は、ワイヤの横断面内に生じる円周方向磁束によって上記の円周方向に易磁化性の外殻部が円周方向に磁化されることに起因して発生する。従って、周方向透磁率μθは同外殻部の円周方向の磁化に依存する。
而るに、この通電中のアモルファスワイヤの軸方向に被検出磁界を作用させると、上記通電による円周方向磁束と被検出磁界磁束との合成により、上記円周方向に易磁化性を有する外殻部に作用する磁束の方向が円周方向からずれ、それだけ円周方向への磁化が生じ難くなり、上記周方向透磁率μθが変化し、上記インダクタンス電圧分が変動することになる。
而して、この変動現象が磁気インダクタンス効果と称され、これは上記高周波励磁電流（搬送波）が被検出波（変調波）で変調される現象ということができる。
【０００３】
更に、上記通電電流の周波数がＭＨｚオ−ダになると、高周波表皮効果が大きく現れ、表皮深さδ＝（２ρ／wμθ）１／２（μθは前記した通り、円周方向透磁率、ρは電気抵抗率、wは角周波数をそれぞれ示す)がμθにより変化し、このμθが前記した通り、被検出磁界によって変化するので、ワイヤ両端間出力電圧中の抵抗電圧分も被検出磁界で変動するようになる。
而して、この変動現象が磁気インピーダンス効果と称され、これは上記高周波励磁電流（搬送波）が被検出波（変調波）で変調される現象ということができる。
【０００４】
そこで、この磁気インピーダンス効果エレメントを利用した被検出磁界検出法（例えば、特許文献１参照）及び磁気インダクタンス効果を使用した被検出磁界検出方法（例えば、特許文献２参照）が提案されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平７−１８１２３９号公報
【特許文献２】特開平６−２８３３４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
導体電流Ｉの測定方法として、この電流Ｉに基づく周囲空間の磁界強度Ｈを検出することによりその導体電流Ｉを測定することが周知されている。すなわち、導体を囲む任意の閉曲線ｃのある点の磁界強度をＨ、閉曲線のある点での微小長さをΔｌ、導体電流をＩとすると、アンペアの周回路の法則により
【０００７】
∫cＨdl＝Ｉ
【０００８】
が成立し、導体中心を中心とする半径ｒの閉曲線（円周）に沿っての磁界強さＨが
【０００９】
Ｈ＝Ｉ／（２πｒ）
【００１０】
で与えられ、、磁界強さＨを計測すればこの式から導体電流Ｉを求めることができる。
そこで、この磁界強さＨを磁気インピーダンス効果磁界検出法により検出して上記導体電流Ｉを測定することが提案されている。
【００１１】
しかしながら、磁気インピーダンス効果アモルファスワイヤと導体との間の距離が上記半径ｒに対しずれたり、磁気インピーダンス効果アモルファスワイヤの軸方向が上記円周の接線からずれたりして測定誤差が発生し易いという不都合がある。
そこで、導体の周りに環状磁芯からなる導磁路を設け、この導磁路の途中に空隙を設け、この空隙内に磁気インピーダンス効果エレメントを配設することが考えられている。この場合、導体が環状磁芯の中心からずれて環状磁芯に対し磁界分布が変化しても、環状磁芯を通る磁束がその磁芯の強い導磁性のために元の状態に保持されようとし、導体位置が多少ずれても、環状磁芯途中の空隙の磁束、すなわち磁気インピーダンス効果エレメントを通る磁束を充分に元の一定状態に保持でき、磁界強度も充分に一定にできる。従って、導体の位置のずれによる導体電流の測定誤差をよく抑えることができる。
しかしながら、環状磁芯にその強い導磁性のために地磁気等のノイズ磁界が通り、ノイズ磁界の影響が避けられない。
【００１２】
本発明の目的は、磁気インピーダンス効果を利用して磁界を検出する方法により導体電流に基づく磁界を導体位置の多少のずれやノイズの影響を排除して高精度で検出し、導体電流の高精度の測定を可能にすることにあり、ノイズには地磁気等の外部磁界ノイズの外、回路素子の温度変化等に起因して生じる内部ノイズも含んでいる。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
請求項１に係る導体電流測定方法は、被検出磁界を磁気インピーダンス効果エレメントを使用して極性判別可能なリニア出力特性で検出する磁界センサにより、導体電流に基づく周回路磁界を検出してその導体電流を測定する方法であり、導体を囲む円周上に２ｎ箇（ｎは偶数）の磁気インピーダンス効果エレメントを円周中心を対称中心とするｎ組の対で設け、これらｎ組の対のうちのｎ／２組の対の第１磁気インピーダンス効果エレメント群を磁気インピーダンス効果エレメント出力の和を得るように、同じく残りのｎ／２組の対の第２磁気インピーダンス効果エレメント群を磁気インピーダンス効果エレメント出力の和を得るように、しかも前者の和出力と後者の和出力とを逆相とするように設置し、この逆相出力を減算し、この減算出力に基づき導体電流を測定することを特徴とする。
【００１４】
請求項２に係る導体電流測定方法は、請求項１の導体電流測定方法において、リニア出力特性を得るために各磁気インピーダンス効果エレメントの近傍に負帰還用コイルを配設し、各磁気インピーダンス効果エレメントの負帰還用コイルを直列に接続し、各磁気インピーダンス効果エレメント群の各和出力を各直列接続負帰還用コイル群を介して各磁気インピーダンス効果エレメント群に負帰還させることを特徴とする。
請求項１または２記載の導体電流測定方法において、極性判別可能な出力特性を得るために各磁気インピーダンス効果エレメントの近傍にバイアス磁界用コイルを配設し、各磁気インピーダンス効果エレメントのバイアス磁界用コイルを直列に接続することができる。
【００１５】
請求項４に係る導体電流測定方法は、被検出磁界を磁気インピーダンス効果エレメントを使用して極性判別可能なリニア出力特性で検出する磁界センサにより、導体電流に基づく周回路磁界を検出してその導体電流を測定する方法であり、導体を囲む円周上に２ｎ箇（ｎは偶数）の磁気インピーダンス効果エレメントを円周中心を対称中心とするｎ組の対で設け、これらｎ組の対のうちのｎ／２組の対の第１磁気インピーダンス効果エレメント群を磁気インピーダンス効果エレメント出力の和を得るように、同じく残りのｎ／２組の対の第の磁気インピーダンス効果エレメント群を磁気インピーダンス効果エレメント出力の和を得るように、しかも前者の和出力と後者の和出力とを逆相とするように設置し、この逆相出力を差動増幅し、この差動増幅出力に基づき導体電流を測定することを特徴とする。
【００１６】
請求項５に係る導体電流測定方法は、請求項４記載の導体電流測定方法において、リニア出力特性を得るために各磁気インピーダンス効果エレメントの近傍に負帰還用コイルを配設し、各磁気インピーダンス効果エレメントの負帰還用コイルを直列に接続し、差動増幅出力を直列接続負帰還用コイル群を介して全磁気インピーダンス効果エレメント群に負帰還させることを特徴とする。
【００１７】
請求項６に係る導体電流測定方法は、請求項１〜５何れかの導体電流測定方法において、磁気インピーダンス効果エレメント群を磁気インピーダンス効果エレメント出力の和を得るように設置することを磁気インピーダンス効果エレメントの直列接続により行なうことを特徴とする。
請求項４〜６記載の導体電流測定方法において、極性判別可能な出力特性を得るために各磁気インピーダンス効果エレメントの近傍にバイアス磁界用コイルを配設し、各磁気インピーダンス効果エレメントのバイアス磁界用コイルを直列に接続することができる。
【００１８】
請求項８に係る導体電流測定方法は、請求項１〜７何れかの導体電流測定方法において、磁気インピーダンス効果エレメントを基板片の片面に配設し、基板片の他面に前記磁気インピーダンス効果エレメントとで磁気回路を構成するように鉄芯を配設し、該鉄芯にバイアス磁界用コイル片及び負帰還用コイル片を巻装してなる磁気インピーダンス効果ユニットを有する磁界センサを使用することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
導体を囲む円周上に磁気インピーダンス効果エレメントを多数箇配し、これらの磁気インピーダンス効果エレメント群によりほぼ環状の導磁路を形成しているから、導体電流に基づき磁気インピーダンス効果エレメントの軸方向を通過する磁界Ｈをこの磁界分布の多少の変化があっても導磁性環で元のままによく保持でき、導体位置に多少のずれが生じても、磁界Ｈの安定保持のために導体電流の測定誤差を充分に軽減できる。
また、磁気インピーダンス効果エレメントを導体を囲む円周の中心を対称中心とする対で配設しているから、外部ノイズ磁界が同一対での２箇の磁気インピーダンス効果エレメントに対し同一値・逆相となり、極性判別可能なリニア出力特性のために、その対をなす磁気インピーダンス効果エレメントの外部磁界ノイズの和出力が零となって出力されず、外部磁界ノイズの影響を排除できる。
更に、２ｎ箇の磁気インピーダンス効果エレメントを２群に分け、各組の磁気インピーダンス効果エレメント群の和出力を減算または差動増幅しているから、同相で減算器または差動増幅器に入力される内部ノイズは出力されず、内部ノイズの影響を排除できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は磁気インピーダンス効果を利用して磁界検出を行なう場合の基本的な回路図を示し、磁気インピーダンス効果エレメント１に高周波励磁電流を加えるための高周波電源２と、磁気インピーダンス効果エレメント１と、磁気インピーダンス効果エレメント１の軸方向に加わる被検出磁界（変調波）Ｈで前記高周波励磁電流（搬送波）を変調させた被変調波を復調する復調回路３と、復調波を増幅する増幅回路４と、出力端５と、負帰還用コイル６と、バイアス磁界用コイル７等から構成されている。
磁気インピーダンス効果エレメントには、零磁歪乃至は負磁歪のアモルファスワイヤ、アモルファスリボン、アモルファススパッタ膜等を使用できる。
【００２１】
磁気インピーダンス効果エレメント１においては、前記した通り励磁電流に基づく円周方向磁束と被検出磁界による軸方向磁束との合成により、円周方向に易磁化性を有する外殻部に作用する磁束の方向が円周方向からずれされるために、周方向透磁率μθが変化し、インダクタンスが変動され、この円周方向透磁率μθの高周波表皮効果の表皮深さの変化でインピーダンスが変動される。従って、被検出磁界の±により上記合成磁界による周方向ずれφも±φになるが、周方向の磁界の減少倍率cos(±φ)は変わらず、従ってμθの減少度は被検出磁界の方向の正負によっては変化されない。従って、被検出磁界−出力特性は、図２の（イ）のように被検出磁界をｘ軸に、出力をｙ軸にとると、ｙ軸に対してほぼ左右対称となる。この被検出磁界−出力特性は非線形である。非線形特性では、高感度の測定が困難である。そこで、図１の負帰還用コイル６で負帰還をかけて図２の（ロ）に示すように特性を直線化している。図２の（ロ）において、Δｗは、負帰還無しのときの利得Ａが非常に大きく帰還率βのみにより利得が定まるリニア範囲である。しかし、この出力特性では、被検出磁界の極性判別を行ない得ないので、図１のバイアス用コイル７でバイアス磁界をかけ、図２の（ハ）に示すように極性判別可能としている。すなわち、図２の（ロ）の特性を、バイアス磁界によりｘ軸のマイナス方向に移動させ、被検出磁界の最大範囲−Ｈmax〜＋Ｈmaxを単斜め線領域の範囲内に納めている。更に、図２の（ニ）に示すように０点調整により原点を通る直線特性としている。従って、図２の（ニ）において被検出磁界を＋Ｈeとすると出力が＋Ｅoとなり、被検出磁界を−Ｈeとすると出力が−Ｅoとなって被検出磁界を極性判別のもとで正確に測定できる。
【００２２】
図３は請求項１〜２に係る導体電流測定方法の実施例を示す図面である。
図３の（イ)は２ｎ箇（ｎは偶数）の磁気インピーダンス効果エレメントの配設パターンを示し、導体ｅを囲む円周ｃ上に円周中心を対称中心とする対のｎ組で配設してある。
この対をなす磁気インピーダンス効果エレメントの向きは導体電流Ｉに基づく周回路磁界Ｈに対し同極性とするようにしてある。これらのｎ組の磁気インピーダンス効果エレメントの対を図３の（ロ）に示すようにｎ／２対づつの２群に分け、これら２群の各磁気インピーダンス効果エレメント群を直列に接続し、かつ一方の直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群の和出力と他方の直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群の和出力とを逆相とするように両磁気インピーダンス効果エレメント群の向きを逆にしてある。２は高周波励磁電流源、３（３’）は各直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群の出力端に接続した復調回路、４，４’は各復調回路３，３’に接続した増幅器である。
６１，６１’、６２，６２’、……及び６３，６３’、６４，６４’、……は各磁気インピーダンス効果エレメント１１，１１’、１２，１２’、……及び１３，１３’、１４，１４’、……の近傍に配設した負帰還用コイルであり、前記直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群と同様に直列に接続し、各増幅器４及び４’の出力を各直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群１１，１１’、１２，１２’、……及び１３，１３’、１４，１４’、……に負帰還させている。７１，７１’、７２，７２’、……及び７３，７３’、７４，７４’、……は各磁気インピーダンス効果エレメント１１，１１’、１２，１２’、……及び１３，１３’、１４，１４’、……の近傍に配設したバイアス磁界用コイルであり、上記直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群と同様に直列に接続し、直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群の極性に応じた極性でバイアス磁界をかけている。バイアス磁界用コイル７１，７１’、７２，７２’、……及び７３，７３’、７４，７４’、……を直列に接続することも可能である。
８は両増幅器４，４’の出力を減算する減算器である
【００２３】
図３の（イ）において、Ｈを導体ｅの電流Ｉに基づく周回路磁界とすると、図３の（ロ）に示すように各直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群１１，１１’、１２，１２’、……及び１３，１３’、１４，１４’、……に作用する磁界Ｈは、強さが等しくかつ同相であり、両直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群１１，１１’、１２，１２’、……と１３，１３’、１４，１４’、……の向きが逆であるから、両直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群の和出力は同一値・逆相の逆相分のみとなる。従って、その逆相出力を減算器８に入力し、Ｈに比例した出力を得る。
この磁界Ｈに対する直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群１１，１１’、１２，１２’、……（１３，１３’、１４，１４’、……）の和出力は磁気インピーダンス効果エレメント１１，１１’、１２，１２’、……（１３，１３’、１４，１４’、……）の長さの総計にほぼ比例し、その長さをｗとすると、長さｗの磁気インピーダンス効果エレメントに磁界Ｈが作用するときの出力にほぼ一致し、かかる磁気インピーダンス効果エレメントの図２の（ニ）に示すような極性判別可能の直線出力特性を予め求めておくことにより、その出力を容易に検出することができ、前記円周ｃの半径をｒとすれば、
【００２４】
Ｉ＝２πｒＨ
【００２５】
から導体電流を測定できる。
【００２６】
この場合、図３の（イ）において、磁気インピーダンス効果エレメントが配設された円周ｃの周回路の相当部分が導磁率の高いアモルファス磁性体で占められているので、その周回路の導磁性が充分に高く、導体の位置ずれにより磁界分布が変化しても、高導磁性周回路を通る磁束が元のままに保持されようとし、その結果導体の位置ずれによる出力の変度をよく抑えることができるから、導体の位置ずれによる導体電流の測定誤差を充分に軽減でき、導体電流を充分に高精度で測定できる。
【００２７】
また、図３の（イ）に示すように、外部磁界ノイズＨ’において、同一対の磁気インピーダンス効果エレメント１ｍ，１ｍ’の軸方向に作用する成分は、強さが等しく（強さ│Ｈ’cosθ│、θは磁界Ｈ’と当該磁気インピーダンス効果エレメントとの間の角度）、位相が逆であるから、前記した図２の（ニ）に示す極性判別可能なリニア出力特性のもとでは出力されず、従って、外部ノイズ磁界は減算器８の出力端には出力されない。
【００２８】
また、復調回路３，３’や増幅器４，４’に温度変化等に基づく内部ノイズが発生しても、復調回路３及び増幅回路４と復調回路３’及び増幅回路４’に発生する内部ノイズが相互に同相であるために減算器８の出力端には出力されない。
従って、請求項１〜２によれば、内外ノイズの影響を排除して導体電流を充分に高精度で測定できる。
【００２９】
図４は請求項３〜４に係る導体電流測定方法の実施例を示す図面である。
図４の（イ)は２ｎ箇（ｎは偶数）の磁気インピーダンス効果エレメントの配設パターンを示し、前記と同様に、導体ｅを囲む円周ｃ上に円周中心を対称中心とする対のｎ組で配設してある。この対をなす磁気インピーダンス効果エレメントの向きは導体電流Ｉに基づく周回路磁界Ｈに対し同極性とするようにしてある。これらのｎ組の磁気インピーダンス効果エレメントの対を図３の（ロ）に示すようにｎ／２対づつの２群１１，１１’、１２，１２’、……及び１３，１３’、１４，１４’、……に分け、これら２群の各磁気インピーダンス効果エレメント群を直列に接続し、かつ一方の直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群１１，１１’、１２，１２’、……の和出力と他方の直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群１３，１３’、１４，１４’、……の和出力とを逆相とするように両磁気インピーダンス効果エレメント群の向きを逆にしてある。３（３’）は各直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群の出力端に接続した復調回路、４０は両復調回路３，３’の出力端を接続した差動増幅器である。
６１，６１’、６２，６２’、……及び６３，６３’、６４，６４’、……は各磁気インピーダンス効果エレメント１１，１１’、１２，１２’、……及び１３，１３’、１４，１４’、……の近傍に配設した負帰還用コイルであり、全負帰還用コイル６１，６１’、６２，６２’、……及び６３，６３’、６４，６４’、……を直列に接続し、差動増幅器４０の出力を直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群１１，１１’、１２，１２’、……と１３，１３’、１４，１４’、……に負帰還させている。負帰還用磁界の方向は被検出磁界Ｈの方向と逆方向であり、直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群１１，１１’、１２，１２’、……と１３，１３’、１４，１４’、……に対する被検出磁界Ｈの方向が同じであるから、負帰還用コイル６１，６１’、６２，６２’、……が発生する負帰還磁界の方向と負帰還用コイル６３，６３’、６４，６４’、……が発生する負帰還磁界の方向を同一方向としてある。７１，７１’、７２，７２’、……及び７３，７３’、７４，７４’、……は各磁気インピーダンス効果エレメント１１，１１’、１２，１２’、……及び１３，１３’、１４，１４’、……の近傍に配設したバイアス磁界用コイルであり、上記直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群と同様に直列に接続し、直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群の極性に応じた極性でバイアス磁界をかけている。図５に示すように、バイアス磁界用コイル７１，７１’、７２，７２’、……及び７３，７３’、７４，７４’、……は直列に接続することも可能であり、この場合、バイアス磁界用コイル７１，７１’、７２，７２’、……と７３，７３’、７４，７４’、……とは、巻回方向を逆にする等により極性が逆にされる。
図４の（イ）において、Ｈを導体電流Ｉに基づく周回路磁界とすると、図４の（ロ）に示すように各直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群１１，１１’、１２，１２’、……及び１３，１３’、１４，１４’、……に作用する磁界Ｈは、強さが等しくかつ同相であり、両直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群１１，１１’、１２，１２’、……と１３，１３’、１４，１４’、……の向きが逆であるから、両直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群の和出力は同一値・逆相の逆相分のみとなる。従って、その逆相出力を差動増幅器４０に入力し、Ｈに比例した出力を得る。
この磁界Ｈに対する直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群１１，１１’、１２，１２’、……（１３，１３’、１４，１４’、……）の和出力は磁気インピーダンス効果エレメント１１，１１’、１２，１２’、……（１３，１３’、１４，１４’、……）の長さの総計にほぼ比例し、その長さをｗとすると、長さｗの磁気インピーダンス効果エレメントに磁界Ｈが作用するときの出力にほぼ一致し、かかる磁気インピーダンス効果エレメントの図２の（ニ）に示すような極性判別可能の直線出力特性を予め求めておくことにより、その出力を容易に検出することができ、前記円周ｃの半径をｒとすれば、
【００３０】
Ｉ＝２πｒＨ
【００３１】
から導体電流を測定できる。
【００３２】
この場合、図４の（イ）において、磁気インピーダンス効果エレメントが配設された円周ｃの周回路の相当部分が導磁率の高いアモルファス磁性体で占められているので、その周回路の導磁性が充分に高く、導体の位置ずれにより磁界分布が変化しても、高導磁性周回路を通る磁束が元のままに保持されようとし、その結果導体の位置ずれによる出力の変度をよく抑えることができるから、導体の位置ずれによる導体電流の測定誤差を充分に軽減でき、導体電流を充分に高精度で測定できる。
また、図４の（イ）に示すように、外部磁界ノイズＨ’において、同一対の磁気インピーダンス効果エレメント１ｍ，１ｍ’の軸方向に作用する成分は、強さが等しく、位相が逆であるから、前記した図２の（ニ）に示す極性判別可能なリニア出力特性のもとでは出力されず、従って、外部ノイズ磁界は差動増幅器の出力端には出力されない。
また、復調回路３，３’に温度変化等に基づく内部ノイズが発生しても、復調回路３と復調回路３’に発生する内部ノイズが相互に同相であるために差動増幅器の出力端には出力されない。
従って、請求項３〜４によれば、内外ノイズの影響を排除して導体電流を充分に高精度で測定できる。
【００３３】
上記何れの実施例においても、出力特性のリニア化のために負帰還をかけているが、差動増幅法の場合、図６に示すように一方の磁気インピーダンス効果エレメントにかけるバイアス磁界Ｈｂの方向と他方の磁気インピーダンス効果エレメントにかけるバイアス磁界Ｈｂの方向とが逆方向とされ、互いに逆相の復調出力（磁界検出信号）がＥ＋、Ｅ−で表わされ、その差がＥ±で示すように直線に近づくので、負帰還を省略することも可能である。
【００３４】
上記何れの実施例においても、磁気インピーダンス効果エレメント群の和出力を磁気インピーダンス効果エレメント群を直列接続することによって得ているが、これに限定されるものではなく、例えば磁気インピーダンス効果エレメント群１１，１１’、１２，１２’、……（１３，１３’、１４，１４’、……）の各磁気インピーダンス効果エレメント１ｍ（１ｍ’）の出力電流を一箇の検出インピーダンスに合流させ、この電流に基づく検出インピーダンス電圧を取出すことも可能である。
【００３５】
上記円周ｃ上への磁気インピーダンス効果エレメントの配設間隔は、上記した導磁性環による磁界Ｈの安定保持のために等間隔とすること、または／及び可及的に狭い間隔とすることが有効である。
【００３６】
上記ｎ対の磁気インピーダンス効果エレメントを２群の対に分ける組合せは、対を１１−１１’、１２−１２’、……１ｍ−１ｍ’、……１Ｎ１ｎ’とすれば、nＣ2通りであり、ｎ＝１の場合、１１−１１’と１２−１２’の１組の１通りである。従って、ｎ＝１の場合、磁気インピーダンス効果エレメント群の和出力は磁気インピーダンス効果エレメント１１（１１’）と磁気インピーダンス効果エレメント１２（１２’）との和出力となる。
【００３７】
図７は本発明において使用する磁界センサの一例（ｎ＝２の場合）を示し、絶縁基板９１に導体挿通用の切欠き部９２１付き孔９２を穿設し、この孔を囲む円周上に孔中心を対称中心とする磁気インピーダンス効果エレメントの対を２組（１１−１１’、１２−１２’）配設し、高周波励磁電流源２と復調回路３，３’と増幅器４，４’と加算器等８、または高周波励磁電流源と復調回路と差動増幅器等を搭載してある。６１、６１’、６２、６２’は負帰還用コイルを、７１、７１’、７２、７２’はバイアス磁界用コイルを、ｅは導体をそれぞれ示している。
【００３８】
この場合、前記磁気インピーダンス効果エレメントと負帰還用コイルとバイアス磁界用コイルとをユニット化してセンサ本体部を小型にし、磁気センサ全体をコンパクト化することが好ましい。
図８は磁気インピーダンス効果ユニットの一例を示す側面図、図８の（ロ）は同じく底面図、図８の（ハ）は図８の（ロ）におけるハ−ハ断面図である。
図８において、１００は基板片であり、例えばセラミックス板を使用できる。１０１は基板片の片面に設けた電極であり、エレメント接続用突部１０２を備えている。この電極は導電ペースト、例えば銀ペーストの印刷・焼付けにより設けることができる。１ｘは電極１０１，１０１の突部１０２，１０２間にはんだ付けや溶接により接続した磁気インピーダンス効果エレメントであり、前記した零磁歪乃至負磁歪のアモルファスワイヤ、アモルファスリボン、スパッタ膜等を使用できる。１０３はＣ型鉄芯、６ｘはＣ型鉄芯に巻装した負帰還用コイル、７ｘは同じくバイアス磁界用コイルであり、界磁気インピーダンス効果エレメント片１ｘとＣ型鉄芯１０３とでループ磁気回路を構成するように、Ｃ型鉄芯１０３の両端を基板片１００の他面に接着剤等で固定してある。
記鉄芯材料としては、残留磁束密度の小さい磁性体であればよく、例えば、パーマロイ、フェライト、鉄、アモルファス磁性合金の他、磁性体粉末混合プラスチック等を挙げることができる。
【００３９】
上記において、Ｃ型鉄芯の長さをｌａ、断面積をＳａ、透磁率をμａとすれば、Ｃ型鉄芯の磁気抵抗Ｒａは
【００４０】
Ｒａ＝ｌａ／（Ｓａμａ）
【００４１】
で与えられ、また、磁気回路の構成部分となる磁気インピーダンス効果エレメント部分の長さをｌｂ、断面積をＳｂ、透磁率をμｂとすれば、磁気インピーダンス効果エレメント部分の磁気抵抗Ｒｂは
【００４２】
Ｒｂ＝ｌｂ／（Ｓｂμｂ）
【００４３】
で与えられ、更に、Ｃ型鉄芯両端と磁気インピーダンス効果エレメントとの間の磁気抵抗をＲｃとすると、磁気回路の磁気抵抗Ｒｍは
【００４４】
Ｒｍ＝Ｒａ＋Ｒｂ＋Ｒｃ
【００４５】
で与えられ、従って、負帰還磁界発生用コイルの自己インダクタンスＬ１は、そのコイル巻数をＮ１として
【００４６】
Ｌ１＝Ｎ１２／Ｒｍ
【００４７】
で与えられ、バイアス磁界用コイルの自己インダクタンスＬ２は、そのコイル巻数をＮ２として
【００４８】
Ｌ２＝Ｎ２２／Ｒｍ
【００４９】
で与えられる。
而るに、前記基板１００の厚みが薄くＲｃを小さくでき、また、Ｃ型鉄芯の脚部の高さを巻線の直径よりやや高くする程度にとどめてＣ型鉄芯の長さを短くできるから、前記磁気回路の磁気抵抗Ｒｍを充分に低くでき、それだけ各コイルの巻数Ｎを少なくできる結果、コイル自体も小型化できる。
【００５０】
この磁気インピーダンス効果ユニットを用いた磁界センサの構成は、例えばｎ＝２の場合、図９に示す通りであり、磁気インピーダンス効果ユニットＵ１，Ｕ１’、Ｕ２，Ｕ２’を導体挿通用孔９２を有する基板９１の孔９２を囲む円周ｃ上に複数箇、円周中心を挾む対Ｕ１−Ｕ１’、Ｕ２−Ｕ２’で、かつ磁気インピーダンス効果エレメントの感磁方向を同一方向として搭載し、前記磁気インピーダンス効果ユニットの対Ｕ１−Ｕ１’及びＵ２−Ｕのそれぞれにおいて磁気インピーダンス効果エレメント、負帰還用コイル、バイアス磁界用コイルをそれぞれ直列に接続し、直列接続の磁気インピーダンス効果エレメントに対する励磁電流源回路２を搭載し、磁界検出信号から被検出磁界に相当する被検出量を取り出すための復調回路３、３’や増幅回路４，４’または差動増幅器を搭載し、前記と同様にして直列接続の負帰還用コイルを経て負帰還をかけ、バイアス磁界用コイルによりバイアス磁界をかけて図２の（ニ）に示すような極性判別可能な直線出力が得られるようにしてある。
この磁気インピーダンス効果ユニットの基板への搭載にあたっては、磁気インピーダンス効果エレメントの機械的保護のために、ユニットの磁気インピーダンス効果エレメント側を基板に向け、ユニット基板を基板に接着剤で固定することが望ましい。
図８における、導体電流磁界Ｈに対する磁気インピーダンス効果ユニットの磁気抵抗Ｒｗは、Ｃ型鉄芯の磁気抵抗をＲａ、磁気インピーダンス効果エレメント部分の磁気抵抗をＲｂとして
【００５１】
Ｒｗ＝ＲａＲｂ／（Ｒａ＋Ｒｂ）
【００５２】
で与えられ、磁気インピーダンス効果エレメント単体の磁気抵抗Ｒｂに較べて低くできるから、周回路ｃの導磁性を更に高くでき、被検出磁界Ｈの分布状態の一層の安定化による導体電流の測定精度のアップを図ることができる。
【００５３】
磁気インピーダンス効果ユニットの他の例としては、絶縁基礎板の面に磁気インピーダンス効果エレメントを配設し、絶縁基礎板の他面に負帰還用コイル及びバイアス磁界用コイルを印刷により設けたものを挙げることができる。
【００５４】
上記高周波励磁電流としては、例えば連続正弦波、パスル波、三角波等の通常の高周波を使用でき、高周波励磁電流源としては、例えばハートレー発振回路、コルピッツ発振回路、コレクタ同調発振回路、ベース同調発振回路のような通常の発振回路の外、水晶発振器の矩形波出力を直流分カットコンデンサを経て積分回路で積分しこの積分出力の三角波を増幅回路で増幅する三角波発生器、ＣＭＯＳ−ＩＣを発振部として使用した三角波発生器等を使用できる。
【００５５】
上記の復調回路としては、例えば被変調波を演算増幅回路で半波整流しこの半波整流波を並列ＲＣ回路またはＲＣローパスフィルターで処理して半波整流波の包絡線出力を得る構成、被変調波をダイオードで半波整流しこの半波整流波を並列ＲＣ回路またはＲＣローパスフィルターで処理して半波整流波の包絡線出力を得る構成等を使用できる。
上記の実施例では、被変調波の復調によって被検出量を取り出しているが、これに限定されず、磁気インピーダンス効果エレメントに作用する被検出磁界による磁界検出信号から被検出磁界に相当する被検出量を取り出し得るもので適宜の回路構成を使用できる。
【００５６】
上記の実施例では、負帰還用コイルとバイアス磁界用コイルとを別体としているが、例えば、図３の（ロ）や図４の（ロ）の回路の上側サイドに対し、各磁気インピーダンス効果エレメント１１，１１’、１２，１２’の近傍に単一のコイル６７１，６７１’、６７２，６７２’を配設し、図１０に示すように、各単一のコイル６７１，６７１’、６７２，６７２’を直列に接続し、直流バイアス信号と負帰還信号の重畳信号を演算回路Ｑにより直列接続のコイル６７１，６７１’、６７２，６７２’に送入して前記直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群１１，１１’、１２，１２’に負帰還とバイアスをかけて前記した図２の（ニ）に示すような極性判別可能な直線出力特性を得ることもできる。
図１０の例では、出力より反転入力端子に負帰還をかけた演算増幅器(負帰還路挿入インピーダンスＺ２、入力側挿入インピーダンスＺ１)を使用しており、直列接続コイルに挿入した抵抗をＲ、直列接続コイルの巻数をＮ、長さをＬ、復調増幅部Ｂの利得をＡ、被検出磁界をＨex、出力をＥoutとすると、
【００５７】
Ａ≫Ｚ１ＲＬ／（Ｚ２Ｎ）
【００５８】
のもとで
【００５９】
Ｅout＝ＲＬＺ１Ｈex／（ＮＺ２）＋ＶccＺ１Ｒ／〔Ｚ２（Ｚ２＋Ｒ）〕
【００６０】
が成立し、この出力特性は緒定数（Ｚ１，Ｚ２，抵抗Ｒ，コイル巻数Ｎ等）の調整によりｘ軸の±方向にシフトさせることができ、その調整により極性判別可能な斜め直線部を最大被検出磁界の範囲±Ｈmax内に位置させることが可能となり、更にｙ軸方向の０点調整により図２の（ニ）に示すような極性判別可能な直線性の出力特性を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
磁気インピーダンス効果エレメントの磁界検出感度が高いから微弱磁界の高感度検出による微弱電流の高精度測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明において使用する磁界インピーダンス効果利用の磁界測定法を示すための回路図である。
【図２】本発明において使用する磁界測定法の出力特性を示す図面である。
【図３】請求項１〜２に係る導体電流測定方法の実施例を示す図面である。
【図４】請求項３〜４に係る導体電流測定方法の実施例を示す図面である。
【図５】請求項３〜４に係る導体電流測定方法の別実施例を示す図面である。
【図６】請求項３に係る導体電流測定方法の別実施例の出力特性を示す図面である。
【図７】本発明において使用する磁界センサの一例を示す図面である。
【図８】請求項６に係る導体電流測定方法において使用するの磁界インピーダンス効果ユニットの一例を示す図面である。
【図９】請求項６に係る導体電流測定方法において使用する磁界センサの一例を示す図面である。
【図１０】本発明に係る導体電流測定方法において使用する負帰還・バイアス手段の別例を示す図面である。
【符号の説明】
【００６３】
１１，１２，…              磁気インピダンス効果エレメント
１１’，１２’，…          磁気インピダンス効果エレメント
１１−１１’，１２−１２’  磁気インピダンス効果エレメントの対
２                          高周波励磁電流源
３，３’                    復調回路
４，４’                    増幅回路
４０                        差動増幅器
６１，６２…                負帰還用コイル
６１’，６２’…            負帰還用コイル
７１，７２…                バイアス磁界用コイル
７１’，７２’…            バイアス磁界用コイル
Ｈ                          被検出磁界
Ｈ’                        外部ノイズ磁界
ｅ                          導体
【図１】
2005061980.tif 000003
【図２】
2005061980.tif 000004
【図３】
2005061980.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005061980.tif 000007
【図６】
2005061980.tif 000008
【図７】
2005061980.tif 000009
【図８】
2005061980.tif 000010
【図９】
2005061980.tif 000011
【図１０】
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